Įsivaizduokite, kaip vanduo teka žemyn per vamzdžių sistemą. Jūsų intuicija turėtų pasakyti, kokie veiksniai priverstų vandenį tekėti greičiau, o kas - lėčiau. Kuo aukštesnė kalva, tuo greitesnė bus srovė ir kuo daugiau kliūčių vamzdyje, tuo lėčiau ji tekės.
Visa tai lemia agalimas energijos skirtumas tarp kalvos viršaus ir dugno, nes kalvos viršuje vanduo turi gravitacinės potencialios energijos, o kol pasiekia dugną, jo nėra.
Tai yra puiki elektrinių analogijaĮtampa. Lygiai taip pat, kai tarp dviejų elektros grandinės taškų yra elektrinio potencialo skirtumas, elektros srovė teka iš vienos grandinės dalies į kitą.
Kaip ir vandens pavyzdyje, potencialus energijos skirtumas tarp dviejų taškų (sukurtas paskirstant elektrinį krūvį) yra tas, kuris sukuria srovės srautą. Be abejo, fizikai turi tikslesnius apibrėžimus, o išmokę lygtis, tokias kaip Ohmo dėsnis, galite geriau suprasti įtampą.
Įtampos apibrėžimas
Įtampa yra elektros taškų energijos skirtumo tarp dviejų taškų pavadinimas, kuris apibrėžiamas kaip elektros energijos potencialas vienam įkrovos vienetui. Nors
elektrinis potencialasyra tikslesnis terminas, tai, kad SI elektrinio potencialo vienetas yra voltas (V), reiškia, kad jis paprastai vadinamas įtampa, ypač kai žmonės kalba apie galimą skirtumą tarp akumuliatoriaus gnybtų ar kitų a grandinė.Apibrėžtį matematiškai galima parašyti taip:
V = \ frac {E_ {el}} {q}
KurVyra galimas skirtumas,Eel yra elektrinio potencialo energija (džauliais) irqyra krūvis (kulonais). Iš to turėtumėte pamatyti, kad 1 V = 1 J / C, o tai reiškia, kad vienas voltas apibrėžiamas kaip vienas džaulis kulonui (t. Y. Vienam įkrovos vienetui). Kartais pamatysiEnaudojamas kaip įtampos simbolis, nes kitas to paties dydžio terminas yra „elektromotorinė jėga“ (EML), tačiau daugelyje šaltiniųVkad atitiktų kasdienį termino vartojimą.
Voltas savo vardą gavo iš italų fiziko Alessandro Volta, kuris geriausiai žinomas išradęs pirmąją elektrinę bateriją (vadinamą „volto krūvą“).
Įtampos lygtis
Tačiau aukščiau pateikta lygtis nėra dažniausiai naudojama įtampos lygtis, nes dauguma kai susidursite su terminu, tai apims elektros grandinę ir naudingiausią lygtį tai yraOhmo įstatymas. Tai susieja įtampą su srovės srove grandinėje ir pasipriešinimą srovės srautui iš grandinės laidų ir komponentų, ir turi tokią formą:
V = IR
KurVyra galimas voltų skirtumas (V);Ašyra srovės srautas su ampero vienetu arba trumpuoju stiprintuvu (A); irRyra varža omais (Ω). Iš pirmo žvilgsnio ši lygtis nurodo, kad tuo pačiu pasipriešinimu didesnė įtampa sukuria didesnę srovę (analogiškai didinant įžangoje) ir esant tokiai pačiai įtampai, srovės srautas sumažėja esant didesnei varžai (analogiškas vamzdžių kliūtims pavyzdys). Jei nėra įtampos skirtumo, srovė netekės.
Skirtingi grandinės komponentai bus skirtingiįtampa krintaper juos, ir jūs galite naudoti Ohmo įstatymą, kad išsiaiškintumėte, kokie jie bus. Tačiau vadovaujantis Kirchhoffo įtampos įstatymu,įtampos kritimų, esančių aplink bet kurią grandinės grandinę, suma turi būti lygi nuliui.
Kaip išmatuoti įtampą grandinėje
Elektros grandinės elemento įtampa gali būti matuojama voltmetru arba multimetru, o pastarajame yra voltmetras, bet taip pat kiti įrankiai, pavyzdžiui, ampermetras (srovės matavimui). Norėdami nustatyti įtampos kritimą tarp dviejų taškų, įtampos kritimą tarp dviejų taškų lygiagrečiai jungiate matuojamame elemente!
Analoginiai voltmetrai veikia nuosekliai naudojant galvanometrą (prietaisą mažoms elektros srovėms matuoti) su didelio omo rezistoriumi, o galvanometre yra vielos ritė magnetiniame lauke. Kai viela teka srovė, jis sukuria magnetinį lauką, kuris sąveikauja su esamu magnetinis laukas, kad ritė pasisuktų, o tada juda prietaiso žymeklis, nurodantis Įtampa.
Kadangi ritės sukimas yra proporcingas srovei, o srovė yra savo ruožtu proporcinga įtampai (pagal Ohmo įstatymą), kuo daugiau ritė sukasi, tuo didesnė įtampa tarp du taškai. Tai yra sudėtingiau, jei matuojate kintamąją, o ne nuolatinę srovę, tačiau tai įmanoma ir dėl skirtingų konstrukcijų.
Jūs turite prijungti voltmetrą lygiagrečiai, nes du lygiagrečiai grandinės elementai turi tą pačią įtampą. Voltmetras turi būti labai atsparus, nes tai trukdo per didelę srovę iš pagrindinės grandinės ir taip trukdyti rezultatui. Be to, voltmetrai nėra sukonstruoti taip, kad būtų galima pritraukti dideles sroves, taigi, jei prijungsite vieną nuosekliai, jis gali lengvai sugadinti ar išpūsti saugiklį.
Įtampos pavyzdžiai
Mokymasis dirbti su elektriniu potencialu apima mokymąsi naudoti Ohmo dėsnį ir mokymąsi taikyti Kirchhoffo įtampos dėsnį, norint nustatyti įtampos kritimus skirtinguose grandinės elementuose. Paprasčiausias dalykas, kurį reikia padaryti, yra Ohmo dėsnio taikymas visai grandinei.
Jei grandinę maitina 12 V baterija ir iš viso yra 70 omų varža, kokia yra srovė, tekanti per grandinę?
Čia tiesiog reikia pertvarkyti Ohmo dėsnį, kad sukurtumėte elektros srovės išraišką. Įstatymas nustato:
V = IR
Viskas, ką jums reikia padaryti, tai padalinti abi puses išRir atvirkščiai, kad gautumėte:
I = \ frac {V} {R}
Įterpiant vertes gaunama:
\ begin {aligned} I & = \ frac {1 \ text {V}} {70 \ text {Ω}} \\ & = 0.1714 \ text {A} \ end {aligned}
Taigi srovė yra 0,1714 A arba 171,4 miliampero (mA).
Bet dabar įsivaizduokite, kad šis 70 Ω atsparumas yra padalytas į tris skirtingus rezistorius nuosekliai, kurių vertės yra 20 Ω, 10 Ω ir 40 Ω. Koks yra įtampos kritimas kiekviename komponente?
Vėlgi, jūs galite naudoti Ohmo dėsnį, kad pažiūrėtumėte į kiekvieną komponentą paeiliui, atkreipdami dėmesį į bendrą elektros srovę aplink 0,1714 A grandinę. Savo ruožtu naudodami V = IR kiekvienam iš trijų rezistorių:
Pirmiesiems:
\ begin {aligned} V_1 & = 0.1714 \ text {A} × 20 \ text {Ω} \\ & = 3.428 \ text {V} \ end {aligned}
Antras:
\ begin {aligned} V_2 & = 0.1714 \ text {A} × 10 \ text {Ω} \\ & = 1.714 \ text {V} \ end {aligned}
Ir trečias:
\ begin {aligned} V_3 & = 0.1714 \ text {A} × 40 \ text {Ω} \\ & = 6.856 \ text {V} \ end {aligned}
Pagal Kirchhoffo įtampos įstatymą šie trys įtampos kritimai turėtų sudaryti iki 12 V:
\ begin {aligned} V_1 + V_2 + V_3 & = 3.428 \ text {V} + 1.714 \ text {V} + 6.856 \ text {V} \\ & = 11.998 \ text {V} \ end {aligned}
Tai lygi 12 V tikslumui po dviejų skaičių po kablelio, nedidelis neatitikimas yra dėl apvalinimo klaidų.
Įtampos kritimas lygiagrečiuose komponentuose
Diskusijoje, kaip išmatuoti įtampą aukščiau, buvo pažymėta, kad įtampos kritimai lygiagrečiuose komponentuose grandinėje yra vienodi. Tai paaiškinamaKirchhoffo įtampos dėsnis, kuriame teigiama, kad visų įtampų (teigiamos įtampos iš maitinimo šaltinio ir įtampos kritimų iš komponentų) suma uždaroje kilpoje turi būti lygi nuliui.
Lygiagrečiai grandinei su keliomis atšakomis galite sukurti tokią kilpą, įskaitant bet kurią iš lygiagrečių šakų ir akumuliatorių. Nepaisant kiekvienos atšakos komponento, įtampa krinta bet kurioje šakojeturitodėl turi būti lygi baterijos teikiamai įtampai (neatsižvelgiant į kitų nuoseklių komponentų galimybę, siekiant paprastumo). Tai pasakytina apie visas šakas, todėl lygiagrečių komponentų įtampa visada kris vienodai.
Įtampa ir galia lemputėse
Ohmo įstatymas taip pat gali būti išplėstas ir susijęs su valdžia (P), kuris yra energijos tiekimo greitis džauliais per sekundę (vatais,W), ir paaiškėja, kad P = IV.
Grandinės komponentui, tokiam kaip elektros lemputė, tai rodo, kad jo išsklaidoma galia (t. Y. Virsta šviesa) priklauso nuo įtampos, esančios aukštesnėje įtampoje, o galia didesnė. Pagal lygiagrečių komponentų aptarimą ankstesniame skyriuje, kelios lygiagrečiai išdėstytos lemputės šviečia ryškiau nei išdėstytos tos pačios lemputės nuosekliai, nes visa baterijos įtampa krinta kiekvienoje lemputėje, kai ji yra prijungta lygiagrečiai, o tik trečdalis jos - prijungus serijos.